監(jiān)視新技術(shù)在我國低空空域改革中的應(yīng)用

李春雷

【摘 要】近年來，隨著民航強(qiáng)國戰(zhàn)略的實(shí)施，我國民航業(yè)發(fā)展迅速，急需進(jìn)一步提升空域監(jiān)視能力。廣播自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）和多點(diǎn)定位（MLAT）等新技術(shù)相較于傳統(tǒng)雷達(dá)，在臺站建設(shè)、精度、數(shù)據(jù)更新速率及系統(tǒng)功能上都有很大改善，未來將廣泛應(yīng)用于航路、進(jìn)近及場面監(jiān)視，進(jìn)一步提升新監(jiān)視系統(tǒng)的可靠性，提供更高質(zhì)量的監(jiān)視服務(wù)能力，也是科研人員需要繼續(xù)探索的問題。

【關(guān)鍵詞】監(jiān)視；自動相關(guān)監(jiān)視；多點(diǎn)定位系統(tǒng)；應(yīng)用分析

0 引言

監(jiān)視（Surveillance）作為空中交通管理的基礎(chǔ)，為空中交通管理系統(tǒng)提供航空器的實(shí)時動態(tài)信息，管制員利用監(jiān)視信息判斷、跟蹤空中航空器和機(jī)場場面動目標(biāo)位置，獲取監(jiān)視目標(biāo)識別信息，掌握航空器飛行軌跡和意圖、航空器間隔等。近年來，中國民航事業(yè)發(fā)展迅猛，整體水平不斷提升，特別國內(nèi)低空空域的逐漸開放意味著通用航空即將迎來快速發(fā)展的時期，屆時低空飛行活動的數(shù)量將會大量增加，空管監(jiān)視的保障能力急需適應(yīng)發(fā)展需求，加強(qiáng)對全國各航路（線）及終端監(jiān)視覆蓋，進(jìn)一步減少盲區(qū)，增強(qiáng)空管保障能力是當(dāng)前空管監(jiān)視工作的重點(diǎn)。

1 我國空域監(jiān)視現(xiàn)狀

1.1 現(xiàn)狀概述

我國東部沿海地區(qū)的空域特點(diǎn)為空中交通流量大，飛行密度高，空域結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前雷達(dá)系統(tǒng)的在航跡更新頻率和監(jiān)視精度方面的表現(xiàn)有待提高。隨著航路數(shù)量的增加，空域越來越密集，雷達(dá)監(jiān)視管制的壓力越來越大，便迫切需要能夠提供更優(yōu)秀監(jiān)視性能的航管監(jiān)視技術(shù)。我國西部部分地區(qū)雖然空域充足，但相應(yīng)的地域遼闊、地形多樣，而雷達(dá)設(shè)備體積龐大、部署難度大、投入成本高，雷達(dá)站設(shè)備的運(yùn)輸以及后續(xù)的設(shè)備維護(hù)和人員保障都存在很大的困難。而且在許多山區(qū)和偏遠(yuǎn)地區(qū)，不僅，很難滿足雷達(dá)臺站建設(shè)的環(huán)境要求，也無法提供人員保障、電力供給，這些問題是雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)備建設(shè)的客觀困難。同時，許多支線機(jī)場航空運(yùn)輸均將保持快速增長，并且可能新增航路，而現(xiàn)有雷達(dá)系統(tǒng)覆蓋率不足，且受選址條件嚴(yán)格，建設(shè)周期較長等因素影響，迫切需要監(jiān)視新技術(shù)提供監(jiān)視補(bǔ)盲與備份，提升監(jiān)視覆蓋及冗余備份能力。

1.2 監(jiān)視技術(shù)比較

目前應(yīng)用于空中交通管制服務(wù)的監(jiān)視技術(shù)主要有雷達(dá)（PSR、SSR）、自動相關(guān)監(jiān)視（ADS）和多點(diǎn)定位系統(tǒng)（MLAT）。

1）空管監(jiān)視雷達(dá)為傳統(tǒng)監(jiān)視技術(shù)，受限于視距傳播，易受到周邊地理位置、電磁環(huán)境等因素的影響，覆蓋范圍相對較小，且造價昂貴，臺站一般需要有人值守，建設(shè)、維護(hù)成本高。

2）自動相關(guān)監(jiān)視（ADS）利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）提供監(jiān)視目標(biāo)信息，定位精度高，數(shù)據(jù)更新率快，建設(shè)、運(yùn)行維護(hù)成本低，但由于其依賴全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）對目標(biāo)進(jìn)行定位，本身不具備對目標(biāo)位置的驗證功能，如果航空器給出的位置信息有誤，自動相關(guān)監(jiān)視地面站設(shè)備（系統(tǒng)）無法辨別；當(dāng)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)無法提供正常的定位導(dǎo)航服務(wù)時，廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS）系統(tǒng)由于收不到導(dǎo)航定位信息，ADS系統(tǒng)無法正常提供飛機(jī)的定位信息。

3）多點(diǎn)定位（MLAT）系統(tǒng)的定位數(shù)據(jù)精度高，數(shù)據(jù)刷新時間短，不增加額外的機(jī)載設(shè)備即可提供高精度的定位導(dǎo)航服務(wù)，建設(shè)、運(yùn)行維護(hù)成本低。但MLAT系統(tǒng)的缺點(diǎn)是定位數(shù)據(jù)精度取決于地面基站的位置精度、基站的幾何分布以及時間同步等因素。根據(jù)國際民航組織對亞太地區(qū)監(jiān)視戰(zhàn)略的建議，在航路（線）、終端區(qū)域和機(jī)場場面，多點(diǎn)定位系統(tǒng)可替代其他監(jiān)視系統(tǒng)或作為其他監(jiān)視系統(tǒng)的補(bǔ)充。

2 監(jiān)視新技術(shù)介紹

2.1 自動相關(guān)監(jiān)視

廣播式自動相關(guān)監(jiān)視ADS-B（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast）技術(shù)的基本原理是飛機(jī)將機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備確定的飛機(jī)位置信息及其他相關(guān)信息按照標(biāo)準(zhǔn)組成 ADS-B 報文，通過1090ES數(shù)據(jù)鏈或者其他數(shù)據(jù)鏈，按照一定的時間間隔進(jìn)行廣播式發(fā)送，ADS-B地面站接收到 ADS-B 報文后，對報文進(jìn)行分析和解碼，利用ADS-B系統(tǒng)的連接網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到 ADS-B系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基站，在數(shù)據(jù)處理中心對數(shù)據(jù)進(jìn)行后期的處理，數(shù)據(jù)經(jīng)處理傳送到相關(guān)用戶的顯示和提示系統(tǒng)中。

ADS-B系統(tǒng)包括飛機(jī)的機(jī)載ADS-B系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以及地面ADS-B系統(tǒng)，如圖1所示。

飛機(jī)的機(jī)載ADS-B系統(tǒng)主要由兩部分組成：收發(fā)裝置和飛機(jī)運(yùn)行參數(shù)測量計算裝置，根據(jù)功能可分為發(fā)送（OUT）和接收（IN），IN和OUT功能都是基于數(shù)據(jù)鏈通信技術(shù)。飛機(jī)運(yùn)行參數(shù)測量計算裝置主要為飛機(jī)自身裝載的傳感設(shè)備和控制單元，測量參數(shù)包括飛機(jī)運(yùn)行的航行方向、速度、高度、氣象信息（如溫度、濕度）等信息。接收和發(fā)送裝置包括信息接收設(shè)備和信息廣播設(shè)備。信息接收裝置，一方面，接收導(dǎo)航衛(wèi)星傳送的信息，另一方面，接收地面站以及其他飛機(jī)傳送的ADS-B信息。

地面ADS-B系統(tǒng)向航空器提供兩種廣播服務(wù)，一種是空中交通信息服務(wù)廣播（Traffic Information Service Broadcast，TIS-B），另一種廣播服務(wù)是飛行信息服務(wù)廣播（Flight Information Service Broadcast，F(xiàn)IS-B）。如圖2所示，TIS-B廣播服務(wù)中，監(jiān)視數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（Surveillance Data Processing System，SDPS）接收航空器（主要是ADS-B位置數(shù)據(jù)鏈報文）、地面雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)和其他監(jiān)視設(shè)備的數(shù)據(jù)，并將采集的原始數(shù)據(jù)傳送到空中交通信息服務(wù)廣播服務(wù)器。TIS-B服務(wù)器接收并將SDPS的數(shù)據(jù)融合生成空中交通信息，發(fā)送到空域中的各航空器并展示在駕駛艙交通信息顯示CDTI（Cockpit Display of Traffic Information），為飛行員提供空域附近的交通信息。

如圖3所示，F(xiàn)IS-B廣播服務(wù)中，監(jiān)視數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（Surveillance Data Processing System，SDPS）接收航空器（主要是ADS-B飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)鏈報文），并將采集的原始數(shù)據(jù)傳送到飛行信息服務(wù)廣播（FIS-B）服務(wù)器。FIS-B服務(wù)器接收并將SDPS的數(shù)據(jù)融合生成飛行氣象信息，發(fā)送到空域中的各航空器。

ADS-B數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)包括實(shí)際系統(tǒng)的物理連接設(shè)備和通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)中采用的通信協(xié)議必須能夠解決數(shù)據(jù)傳輸過程中發(fā)送方與接收方的數(shù)據(jù)兼容性和通用性問題。目前，有三種主流ADS-B數(shù)據(jù)鏈路：分別為甚高頻數(shù)據(jù)鏈模式4（VDL Mode 4），通用訪問收發(fā)機(jī)（UAT）和S模式1090兆擴(kuò)展電文譜。從技術(shù)層面上來說，三種數(shù)據(jù)鏈均可實(shí)現(xiàn)對ADS-B系統(tǒng)的支持，其中UAT的空對空性能在高密度和低密度的情況下的表現(xiàn)要優(yōu)于其他兩種；VDL-4模式在機(jī)場地面方面的監(jiān)視性能更加優(yōu)異；而1090ES的最大優(yōu)點(diǎn)是原有的S模式應(yīng)答機(jī)可以升級為支持ADS-B系統(tǒng)的載體。而且1090ES模式是目前唯一實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的ICAO鏈路技術(shù)，是三種模式中唯一獲得了全球無線電頻譜批準(zhǔn)的鏈路模式。

結(jié)合我國現(xiàn)狀，對1090ES和UAT鏈路進(jìn)行對比。UAT模式鏈路的應(yīng)用有較大的困難和不確定性，主要原因如下：一是，UAT所采用的頻段在頻譜規(guī)劃中存在沖突；二是，采用雙模式數(shù)據(jù)鏈將使系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理量大，延時較高，難以實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能；三是，建設(shè)與運(yùn)行成本相對較高。雖然1090ES目前存在速率較低、信息量小、上行鏈路涌塞等技術(shù)難點(diǎn)，需要在技術(shù)上進(jìn)一步完善，但1090ES作為國際民航組織在亞太地區(qū)推薦的單一數(shù)據(jù)鏈模式，相對于UAT模式，在今后的實(shí)施和運(yùn)行使用等方面仍有較大優(yōu)勢。中國國民航在下一步的ADS-B地面站建設(shè)中已明確采用1090ES模式鏈路，基于1090ES鏈路模式的地面站是現(xiàn)階段ADS-B系統(tǒng)建設(shè)的不二之選，但并不排除在以后的發(fā)展中需要采用其他的鏈路形式的可能性。

2.2 多點(diǎn)定位系統(tǒng)

MLAT（Multilateration）系統(tǒng)利用多個地面接收機(jī)接收飛機(jī)的機(jī)載應(yīng)答信號的時間差確定飛機(jī)的具體位置并對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。MLAT系統(tǒng)包括遠(yuǎn)端基站、校標(biāo)系統(tǒng)、地面中心站和飛行動態(tài)顯示系統(tǒng)組成，如圖4所示，遠(yuǎn)端基站根據(jù)工作模式由接收機(jī)或接收機(jī)和發(fā)射機(jī)組成。

遠(yuǎn)端基站主要用于接收飛機(jī)發(fā)送的信號，對飛機(jī)信號進(jìn)行解碼處理，記錄信號到達(dá)時間。MLAT系統(tǒng)分為主動式和被動式，兩者的區(qū)別在于：被動式MLAT系統(tǒng)僅僅由接收機(jī)組成，而主動式MLAT系統(tǒng)包括一個或多個發(fā)射天線，發(fā)射天線向飛機(jī)的二次應(yīng)答機(jī)發(fā)射詢問信號，飛機(jī)詢問不依賴于其他進(jìn)行詢問的發(fā)射源，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)無應(yīng)答區(qū)域的詢問補(bǔ)充，達(dá)到目標(biāo)更新率的提高。

地面中心站綜合各遠(yuǎn)端基站的信息，在服務(wù)器中對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行多徑處理，計算飛機(jī)的目標(biāo)位置并對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤、產(chǎn)出輸出數(shù)據(jù)包括點(diǎn)跡和航跡、發(fā)射輸出數(shù)據(jù)、根據(jù)交通狀況估計詢問、產(chǎn)生詢問請求、向為特定的發(fā)射站發(fā)射詢問請求以及刪除內(nèi)存中處理過的共享數(shù)據(jù)等。

校標(biāo)系統(tǒng)通過將遠(yuǎn)端基站與校標(biāo)系統(tǒng)的時間同步，達(dá)到將多個遠(yuǎn)端基站之間的同步目的，校標(biāo)系統(tǒng)提供了高準(zhǔn)確度、精度和高可靠性的系統(tǒng)同步和系統(tǒng)內(nèi)部測試功能。

飛行動態(tài)顯示系統(tǒng)用于在顯示終端設(shè)備中對飛機(jī)的動態(tài)進(jìn)行顯示，與此同時，飛機(jī)動態(tài)顯示系統(tǒng)還具有監(jiān)控飛行動態(tài)、記錄和存儲數(shù)據(jù)、顯示飛機(jī)航跡以及系統(tǒng)啟動，同時可以遠(yuǎn)程監(jiān)視地面站的狀態(tài)信息并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置、故障診斷、軟硬件升級維護(hù)等控制功能。

MLAT系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一是TDOA（Time Difference of Arrival，到達(dá)時間差）定位技術(shù)。目標(biāo)信號到兩個天線間的時間差形成一條能夠確定飛機(jī)位置的雙曲面（三維空間）。當(dāng)四個天線發(fā)現(xiàn)飛機(jī)信號后，可以通過計算雙曲面的交叉點(diǎn)得出飛機(jī)的三維位置。當(dāng)僅有三個天線可用時，不能直接判斷出三維位置，但如果可以通過其它信息獲知高度，也能夠計算出目標(biāo)位置，即變成了二維的問題。在使用大氣壓高度（模式C）時，由于氣壓高度在不同地理位置存在一定差別，不能精確估計出目標(biāo)的位置。當(dāng)多于4個天線時，多余信息既可用于校準(zhǔn)其它測量的正確性又可以從所有測量中計算出一個平均位置，這將可以全面減小誤差。

2.3 監(jiān)視新技術(shù)應(yīng)用分析

為了適應(yīng)發(fā)展需求，我國民航積極推進(jìn)監(jiān)視新技術(shù)的研究與應(yīng)用，并進(jìn)行了大量的前期試驗。

我國民航在西南、中南等地建設(shè)完一系列ADS-B臺站并投入試運(yùn)行，實(shí)踐證明，ADS-B新技術(shù)的應(yīng)用增加了空域容量，加速了飛行流量，減少了航班延誤，在ADS-B、二次雷達(dá)混合覆蓋區(qū)域，實(shí)驗中出現(xiàn)過ADS-B信號分裂時雷達(dá)信號正常顯示，雷達(dá)信號丟失時ADS-B信號正常顯示的情況，驗證了雷達(dá)系統(tǒng)和ADS-B系統(tǒng)互為備份監(jiān)視手段的重要性和可行性。

MLAT作為監(jiān)視新技術(shù)，系統(tǒng)具有工作原理與雷達(dá)和ADS-B完全不同，設(shè)備占用空間小、投資少的優(yōu)點(diǎn)，我國目前已經(jīng)在部分地區(qū)開展了MLAT系統(tǒng)試驗研究。MLAT系統(tǒng)利用現(xiàn)有機(jī)載標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)答機(jī)，無需加裝其它機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備即完成定位監(jiān)視，MLAT系統(tǒng)能夠適用各種環(huán)境，能夠?qū)崿F(xiàn)對低海拔區(qū)域復(fù)雜環(huán)境的覆蓋，能夠與使用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和通信設(shè)備的各種系統(tǒng)連接，并能夠處理飛行計劃系統(tǒng)（FPS）數(shù)據(jù)，送至塔臺顯示、A-SMGCS、TIS-B服務(wù)器、交通管理單元、航線運(yùn)行、機(jī)場運(yùn)行的數(shù)據(jù)和送至用戶支持中心監(jiān)視系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

廣播自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）和多點(diǎn)定位（MLAT）等新技術(shù)相較于傳統(tǒng)雷達(dá)，在臺站建設(shè)、精度、數(shù)據(jù)更新速率及系統(tǒng)功能上都有很大改善，隨著技術(shù)的逐漸成熟，未來將廣泛應(yīng)用于航路、進(jìn)近及場面監(jiān)視。

3 結(jié)語

我國地域遼闊，地形多樣，空域復(fù)雜，必須承認(rèn)實(shí)現(xiàn)空域監(jiān)視全覆蓋困難是客觀存在的，特別是通用航空對于低空監(jiān)視要求較高，因山區(qū)等地形因素的影響，傳統(tǒng)監(jiān)視雷達(dá)很難實(shí)現(xiàn)全區(qū)域監(jiān)視信號的連續(xù)覆蓋。ADS-B地面基站的對飛行器的定位信息是基于衛(wèi)星系統(tǒng)，對周邊環(huán)境的要求低，設(shè)備小巧易安置，相對雷達(dá)受地形因素影響較小，但由于其本身不具備對目標(biāo)位置的驗證功能，系統(tǒng)易受外部影響，同時其定位依賴美國GPS系統(tǒng)，在GPS系統(tǒng)失效或有人為干擾的情況下，該系統(tǒng)將不能提供有效精度的定位信息，ADS-B系統(tǒng)一旦我國大面積投產(chǎn)使用，運(yùn)行安全風(fēng)險不容忽視。多點(diǎn)定位（MLAT）不增加額外的機(jī)載設(shè)備即可提供高精度的定位服務(wù)，建設(shè)、運(yùn)行維護(hù)成本低，但MLAT系統(tǒng)的缺點(diǎn)是定位數(shù)據(jù)精度取決于地面基站的位置精度、基站的幾何分布等因素影響。因此，未來綜合各監(jiān)視技術(shù)的優(yōu)勢，促進(jìn)全面監(jiān)視體系的形成是監(jiān)視技術(shù)的發(fā)展趨勢。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]